BDSBAS機載應(yīng)用及飛行驗證

楊 明，蘇從兵，王岸石，王雪峰

BDSBAS機載應(yīng)用及飛行驗證

楊 明，蘇從兵，王岸石，王雪峰

（中電科西北集團有限公司西安分公司，西安 710068）

星基增強系統(tǒng)作為廣域增強手段，能為民用航空提供花費較低、可用性更高的導(dǎo)航功能。研制開發(fā)具備SBAS功能，滿足民航使用要求的機載設(shè)備符合GNSS發(fā)展趨勢。分析梳理了北斗星基增強系統(tǒng)（BDSBAS）的機載處理算法，從準(zhǔn)確性、完好性等民航進近著陸的應(yīng)用性能出發(fā)，對研制的北斗機載多模接收機于2021年5月在天津機場開展的SBAS飛行驗證數(shù)據(jù)進行了分析評估。結(jié)果顯示研制的機載設(shè)備在當(dāng)前BDSBAS信號條件下可以滿足APV-I進近的定位精度要求，試驗期間未見完好性異常。

機載設(shè)備；北斗星基增強系統(tǒng)；精密進近；飛行試驗

0 引言

國際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）一直在倡導(dǎo)采用GNSS技術(shù)作為主用導(dǎo)航手段來實現(xiàn)飛機所有飛行階段的導(dǎo)航。星基增強系統(tǒng)（Satellite-Based Augmentation System，SBAS）作為廣域增強手段，能為民用航空提供花費較低、可用性更高的導(dǎo)航功能。我國正開展北斗星基增強系統(tǒng)的建設(shè)，并已于2020年開始播發(fā)GPS和北斗衛(wèi)星的增強信號。研制開發(fā)具備SBAS功能，滿足民航使用要求的機載設(shè)備符合GNSS發(fā)展趨勢。

1 BDSBAS機載設(shè)備處理算法

SBAS機載設(shè)備處理算法主要實現(xiàn)機載端的定位和保護級計算。機載設(shè)備在接收到觀測電文、廣播星歷和增強電文后，對接收到的增強電文進行解析處理獲得改正數(shù)和完好性參數(shù)；結(jié)合觀測電文及廣播星歷，進行衛(wèi)星位置和鐘差的解算；運用衛(wèi)星位置、偽距、各類改正數(shù)及完好性參數(shù)解算出用戶的當(dāng)前位置和保護級。SBAS雙頻服務(wù)尚未形成最終的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，本文對BDSBAS單頻服務(wù)的機載處理算法進行分析梳理。

1.1 BDSBAS機載設(shè)備的定位處理

BDSBAS單頻服務(wù)用于增強GPS1單頻信號，其定位處理過程如圖1所示。

圖1 BDSBAS SF定位流程圖

BDSBAS單頻服務(wù)的定位處理流程分為：

1）載波平滑碼偽距

在BAS單頻服務(wù)處理中，對收到的每個測距源的原始偽距使用濾波器進行100 s偽距平滑，如式（1）所示：

2）快變改正數(shù)解算

3）SBAS單頻服務(wù)電離層改正數(shù)解算

SBAS單頻服務(wù)利用電文中播發(fā)的格網(wǎng)點（Ionospheric Grid Point，IGP）電離層延遲數(shù)據(jù)計算可見衛(wèi)星的電離層延遲改正數(shù)，IGP電離層延遲數(shù)據(jù)由增強電文18和26播發(fā)。

圖2 SBAS電離層穿刺點

利用傾斜因子和穿刺點處電離層延遲，計算衛(wèi)星的電離層改正數(shù)如式（4）所示：

4）SBAS鐘差改正數(shù)計算

衛(wèi)星SBAS鐘差改正數(shù)如式（5）所示：

5）使用SBAS星歷改正數(shù)修正衛(wèi)星位置

衛(wèi)星星歷慢變改正數(shù)計算如式（7）所示：

6）對流層延遲修正

SBAS對流層延遲計算采用五參數(shù)氣象模型，根據(jù)年積日、緯度和用戶仰角利用文獻(xiàn)[1]定義的表格通過插值法求取氣象五參數(shù)。

7）SBAS偽距修正

8）SBAS定位解算

使用加權(quán)最小二乘法進行定位解算，權(quán)重值來自SBAS保護級計算輸出。

1.2 BDSBAS機載設(shè)備的完好性處理

SBAS系統(tǒng)中水平保護級（Horizontal Protection Level，HPL）和垂直保護級（Vertical Protection Level，VPL）以一定的概率（源自完好性需求）提供一種對水平位置誤差及垂直位置誤差約束，機載設(shè)備利用BDSBAS播發(fā)的完好性參數(shù)，結(jié)合自身觀測值計算得到保護級，并將計算的保護級結(jié)果同應(yīng)用類型對應(yīng)的告警門限（Alarming Value，AL）進行對比，以判斷定位結(jié)果是否可用。

BDSBAS保護級計算過程如圖3所示。

圖3 BDSBAS SF保護級計算流程圖

BDSBAS保護級的計算過程為：

1）首先機載設(shè)備需要計算用戶與可觀測衛(wèi)星間的觀測矩陣，該矩陣的第行如式（9）所示：

2）計算用戶與第個可觀測的衛(wèi)星間觀測偽距的噪聲方差：

SBAS對流層模型校正后的殘差方差為：

4）和計算如式（14）和式（15）所示：

2 BDSBAS機載設(shè)備及飛行驗證

2.1 機載設(shè)備及搭機飛行環(huán)境

研制的北斗機載多模式接收機主要由GNSS接收模塊、VDB通信模塊、衛(wèi)導(dǎo)增強綜合處理模塊、接口處理模塊和電源模塊等組成，具備GNSS、GBAS著陸系統(tǒng)功能（GBAS Landing System，GLS）以及SBAS功能。

圖4 機載SBAS處理軟件框圖

機載SBAS功能主要由衛(wèi)導(dǎo)增強綜合處理模塊的SBAS處理軟件實現(xiàn)；SBAS處理軟件由GNSS數(shù)據(jù)處理功能、偽距修正功能、差分定位解算功能、PVT輸出功能和進近引導(dǎo)功能等模塊組成，如圖4所示。

本次搭機飛行測試使用了中國民航校驗中心提供的飛行平臺，機型為超級空中國王350。

校驗飛機本身具備機載設(shè)備的搭機實驗條件，可以直接提供機載GNSS天線射頻信號。飛行平臺上的搭機設(shè)備包括北斗機載多模接收機和基準(zhǔn)接收機。北斗機載多模接收機自帶數(shù)據(jù)記錄功能，完成SBAS輸出數(shù)據(jù)的采集存儲?；鶞?zhǔn)接收機與被測北斗機載多模接收機共用一個GNSS天線，接收、記錄GNSS觀測值，通過事后RTK差分處理生成飛行驗證的定位基準(zhǔn)，如圖5所示。

圖5 BDSBAS機載設(shè)備搭機飛行環(huán)境

2.2 分析評估方法

對飛行試驗數(shù)據(jù)主要從準(zhǔn)確性、完好性等應(yīng)用性能出發(fā)，對機載設(shè)備BDSBAS功能進行分析評估。

準(zhǔn)確性評估用于評價SBAS差分定位的正確程度：使用基準(zhǔn)接收機數(shù)據(jù)標(biāo)定定位基準(zhǔn)，根據(jù)機載設(shè)備的SBAS差分定位結(jié)果和標(biāo)定位置計算每個歷元的水平和垂直定位偏差，統(tǒng)計水平和垂直定位誤差。

完好性用于判斷SBAS系統(tǒng)的服務(wù)完好程度，通過斯坦福圖來評價：使用每個歷元的水平和垂直定位誤差、HPL和VPL、進近服務(wù)的水平和垂直告警門限（Horizontal Alert Limits，HAL/ Vertical Alert Limits，VAL）繪制斯坦福圖，根據(jù)定位誤差、保護級、告警門限的關(guān)系統(tǒng)計完好性百分比。

2.3 試驗結(jié)果

在天津濱海機場，于2021年5月3日和5月6日完成多架次搭機飛行驗證。

2.3.1 5月3日試驗結(jié)果

5月3日飛行試驗水平及垂直誤差和保護級關(guān)系如圖6所示。圖6中紅線為SBAS定位誤差序列，藍(lán)線為HPL及VPL。

圖6 5月3日飛行試驗水平及垂直誤差和保護級關(guān)系

通過對定位結(jié)果的處理評估，5月3日試驗的水平定位精度（95%）為1.10 m，垂直定位精度（95%）為2.50 m，如圖7所示。

圖7 5月3日飛行試驗水平及垂直誤差分布

5月3日飛行試驗水平及垂直誤差斯坦福圖如圖8和圖9所示。其中紫線為APV-I進近對應(yīng)的HAL及VAL，從兩圖中可看出5月3日未出現(xiàn)完好性風(fēng)險事件。

圖8 5月3日飛行試驗水平誤差斯坦福圖

圖9 5月3日飛行試驗垂直誤差斯坦福圖

5月3日天津飛行實驗性能結(jié)果如表1所示。

表1 5月3日天津飛行實驗性能結(jié)果

2.3.2 5月6日試驗結(jié)果

圖10 5月6日飛行試驗水平及垂直誤差和保護級關(guān)系

5月6日飛行試驗水平及垂直誤差和保護級關(guān)系如圖10所示，紅線為SBAS定位誤差序列，藍(lán)線為HPL及VPL。

通過對定位結(jié)果的處理評估，5月6日試驗的水平定位精度（95%）為1.00 m，垂直定位精度（95%）為2.80 m，如圖11所示。

圖11 5月6日飛行試驗水平及垂直誤差分布

5月6日飛行試驗水平及垂直誤差斯坦福圖如圖12和圖13所示。其中紫線為APV-I進近對應(yīng)的HAL及VAL，從兩圖中可看出5月6日未出現(xiàn)完好性風(fēng)險事件。

圖12 5月6日飛行試驗水平誤差斯坦福圖

圖13 5月6日飛行試驗垂直誤差斯坦福圖

5月6日天津飛行實驗性能結(jié)果如表2所示。

表2 5月6日天津飛行實驗性能結(jié)果

3 結(jié)論

ICAO導(dǎo)航及進近的服務(wù)性能要求如表3所示。

表3 ICAO導(dǎo)航及進近的服務(wù)性能要求

從上述的評估結(jié)果可看出，研制的機載設(shè)備能夠接收BDSBAS播發(fā)的差分增強數(shù)據(jù)及完好性參數(shù)，進行SBAS增強定位提升用戶定位精度，通過計算保護級對誤差進行包絡(luò)，避免完好性危害事件（Hazardously Misleading Information，HMI）發(fā)生；將兩次飛行驗證的結(jié)果與ICAO性能要求比較，其精度滿足APV-I進近要求。開展SBAS機載設(shè)備的研制、飛行驗證所形成的技術(shù)、測試的方法及經(jīng)驗也有助后續(xù)開展SBAS民航航電設(shè)備的研制。

[1] RTCA DO-229E, Minimum Operational Performance Standards for Global Positioning System/Wide Area Augmentation System Airborne Equipment[S]. 2016: 12-15.

[2] 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號接口控制文件——星基增強服務(wù)信號BDSBAS-B1C [S]. 1.0版，2020.

[3] ICAO 國際標(biāo)準(zhǔn)和建議措施（附件10）：無線電導(dǎo)航設(shè)備[S]. 7版，2018.

[4] ICAO Doc 9849, 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）手冊 [S]. 3版，2017.

[5] 邵搏，耿永超，丁群，等. 國際星基增強系統(tǒng)綜述[J]. 現(xiàn)代導(dǎo)航，2017，8（3）：157-161.

BDSBAS Airborne Application and Flight Test

YANG Ming, SU Congbing, WANG Anshi, WANG Xuefeng

As a wide-area enhancement method, the satellite-based augmentation system can provide civil aviation with lower-cost and higher-availability navigation functions. The research and development of airborne equipment with SBAS function, which meets the requirements of civil aviation, conforms to the development trend of GNSS. The airborne processing algorithm of the BDSBAS is analyzed and sorted out in the paper, flight test data of developed airborne equipment with SBAS function from the perspective of accuracy and integrity is analyzed and evaluated, which flight test carried out in Tianjin airport in May 2021. The results show that the developed airborne equipment can meet the accuracy requirements of the APV-I approach under the current BDSBAS signal, and there was no integrity abnormality during the test.

Avonics; BDSBAS; Precision Approach; Flight Test

TN96.1

A

1674-7976-(2022)-03-183-07

2022-03-23。

楊明（1979.04—），陜西西安人，碩士，高級工程師，主要研究方向為民用航空空中交通管理。